生物传感技术省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、第第 9 章章 生物传感技术生物传感技术v9.1 概述概述v9.2 生物传感技术分子生物传感技术分子 识别原理与技术识别原理与技术v9.3 生物传感仪器技术及其应用生物传感仪器技术及其应用1第1页9.1 9.1 概述概述 生物传感技术是一门由生物、化学、物理、医学、电子生物传感技术是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等各种学科相互渗透成长起来高新技术,在生物医学、技术等各种学科相互渗透成长起来高新技术,在生物医学、环境监测、食品、医药及军事医学等领域有着主要应用价环境监测、食品、医药及军事医学等领域有着主要应用价值。值。生物传感器有以下共同结构:包含一个或数种相关生物生物传感器有以下共同结
2、构:包含一个或数种相关生物活性材料及能把生物活性表示信号转换为电信号物理或化活性材料及能把生物活性表示信号转换为电信号物理或化学换能器,二者组合在一起,用当代微电子和自动化仪表学换能器,二者组合在一起,用当代微电子和自动化仪表技术进行生物信号再加工,组成各种能够使用生物传感器技术进行生物信号再加工,组成各种能够使用生物传感器分析装置、仪器和系统。分析装置、仪器和系统。2第2页生物传感器特点:生物传感器特点:(1 1)采取固定化生物活性物质作催化剂,价值昂贵试剂能够)采取固定化生物活性物质作催化剂,价值昂贵试剂能够重复屡次使用,克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分重复屡次使用,克服了过去酶法分析
3、试剂费用高和化学分析繁琐复杂缺点。析繁琐复杂缺点。(2 2)专一性强,只对特定底物起反应,而且不受颜色、浊度)专一性强,只对特定底物起反应,而且不受颜色、浊度影响。影响。(3 3)分析速度快,能够在一分钟得到结果。)分析速度快,能够在一分钟得到结果。(4 4)准确度高,普通相对误差能够到达)准确度高,普通相对误差能够到达1 1。(5 5)操作系统比较简单)操作系统比较简单 ,轻易实现自动分析。,轻易实现自动分析。(6 6)成本低,在连续使用时,每例测定仅需要几分钱人民币。)成本低,在连续使用时,每例测定仅需要几分钱人民币。(7 7)有生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内供氧情)有生物传感器
4、能够可靠地指示微生物培养系统内供氧情况和副产物产生。况和副产物产生。3第3页9.1.1 9.1.1 生物传感器工作原理生物传感器工作原理以生物活性物质为敏感材料做成传感器叫生物以生物活性物质为敏感材料做成传感器叫生物传感器。传感器。它以生物分子去识别被测目标,然后将生物分它以生物分子去识别被测目标,然后将生物分子所发生子所发生物理或化学改变转化为对应电信号,给予放大物理或化学改变转化为对应电信号,给予放大输出,从输出,从而得到检测结果。而得到检测结果。生物传感器选择性与分子识别元件相关,取决生物传感器选择性与分子识别元件相关,取决于与载体于与载体相结合生物活性物质。相结合生物活性物质。4第4页
5、 为了提升生物传感器灵敏度,可利用化学放大功为了提升生物传感器灵敏度,可利用化学放大功效。所谓化学放大功效,就是使一个物质经过催化、效。所谓化学放大功效,就是使一个物质经过催化、循环或倍增机理同一个试剂作用产生出相对大量产物。循环或倍增机理同一个试剂作用产生出相对大量产物。传感器信号转换能力取决于所采取转换器。传感器信号转换能力取决于所采取转换器。依据器件信号转换方式可分为:依据器件信号转换方式可分为:直接产生电信号;直接产生电信号;化学改变转换为电信号;化学改变转换为电信号;热改变转换为电信号;热改变转换为电信号;光改变转换为电信号;光改变转换为电信号;界面光学参数改变转换为电信号。界面光学
6、参数改变转换为电信号。5第5页9.1.2 9.1.2 生物传感技术发展历史生物传感技术发展历史 19671967年美国年美国S.J.S.J.乌普迪克等制出了第一个生物传感器乌普迪克等制出了第一个生物传感器葡萄糖传感器。现已发展了第二代生物传感器(微生物、葡萄糖传感器。现已发展了第二代生物传感器(微生物、免疫、酶免疫和细胞器传感器),研制和开发第三代生物免疫、酶免疫和细胞器传感器),研制和开发第三代生物传感器,将生物技术和电子技术结合起来场效应生物传感传感器,将生物技术和电子技术结合起来场效应生物传感器。近年来,伴随生物科学、信息科学和材料科学发展推器。近年来,伴随生物科学、信息科学和材料科学发
7、展推进,生物传感器技术飞速发展。能够预见,未来生物传感进,生物传感器技术飞速发展。能够预见,未来生物传感器将含有以下特点:器将含有以下特点:(1 1)功效多样化)功效多样化(2 2)微型化)微型化(3 3)智能化与集成化)智能化与集成化(4 4)低成本、高灵敏度、高稳定性和高寿命)低成本、高灵敏度、高稳定性和高寿命 6第6页9.1.3 9.1.3 生物传感器分类生物传感器分类生物传感器主要有下面三种分类命名方式:生物传感器主要有下面三种分类命名方式:(1 1)依据生物传感器中分子识别元件即敏感元件不一样,生)依据生物传感器中分子识别元件即敏感元件不一样,生物传感器可分为酶传感器(固定化酶)、微
8、生物传感器物传感器可分为酶传感器(固定化酶)、微生物传感器(固定化微生物)、免疫传感器(固定化抗体)、基因(固定化微生物)、免疫传感器(固定化抗体)、基因传感器(固定化单链核酸)、细胞传感器(固定化细胞传感器(固定化单链核酸)、细胞传感器(固定化细胞器)和组织传感器(固定化生物体组织)等。器)和组织传感器(固定化生物体组织)等。(2 2)按照传感器器件检测原理分类,可分为:热敏生物传感)按照传感器器件检测原理分类,可分为:热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体传感器、声波道生物
9、传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等。生物传感器等。(3 3)按照生物敏感物质相互作用类型分类,可分为亲和型和)按照生物敏感物质相互作用类型分类,可分为亲和型和代谢型两种。代谢型两种。7第7页9.2 生物传感技术分子识别原理与技术生物传感技术分子识别原理与技术酶促反应动力学(酶促反应动力学(kinetics of enzyme-kinetics of enzyme-catalyzed reactionscatalyzed reactions)是研究酶促反应速度及其)是研究酶促反应速度及其影响原因科学。这些原因主要包含酶浓度、底物浓影响原因科学。这些原因主要包含酶浓度、底物浓度、度、pHp
10、H值、温度、抑制剂和激活剂等。但必须注意,值、温度、抑制剂和激活剂等。但必须注意,酶促反应动力学中所指明速度是反应初速度,因为酶促反应动力学中所指明速度是反应初速度,因为此时反应速度与酶浓度呈正比关系,这么防止了反此时反应速度与酶浓度呈正比关系,这么防止了反应产物以及其它原因影响。应产物以及其它原因影响。9.2.1 酶反应酶反应8第8页酶促反应含有一下几个特点:酶促反应含有一下几个特点:酶促反应含有普通催化剂性质;加速化学反应进行酶促反应含有普通催化剂性质;加速化学反应进行,而其本身在反应前后没有质和量改变,不影响反应方,而其本身在反应前后没有质和量改变,不影响反应方向,不改变反应平衡常数;酶
11、促反应含有极高催化效率向,不改变反应平衡常数;酶促反应含有极高催化效率;酶促反应含有高度专一性。一个酶只作用于一类化合;酶促反应含有高度专一性。一个酶只作用于一类化合物或一定化学键,以促进一定化学改变,并生成一定产物或一定化学键,以促进一定化学改变,并生成一定产物,这种现象称为酶特异性或专一性。受酶催化化合物物,这种现象称为酶特异性或专一性。受酶催化化合物称为该酶底物或作用物。酶对底物专一性通常分为绝对称为该酶底物或作用物。酶对底物专一性通常分为绝对特异性、相对特异性和立体异构特异性。特异性、相对特异性和立体异构特异性。9第9页1 1.酶浓度对反应速度酶浓度对反应速度影响影响 在一定温度和在一
12、定温度和pHpH值值条件下,当底物浓度大条件下,当底物浓度大大超出酶浓度时,酶浓大超出酶浓度时,酶浓度与反应速度呈正比关度与反应速度呈正比关系。系。酶浓度对反应初速度影响酶浓度对反应初速度影响10第10页2.2.底物浓度对反应速度影响底物浓度对反应速度影响 在酶浓度不变情况下,底在酶浓度不变情况下,底物浓度对反应速度影响作用展物浓度对反应速度影响作用展现矩形双曲线。在底物浓度很现矩形双曲线。在底物浓度很低时,反应速度随底物浓度增低时,反应速度随底物浓度增加而急聚加紧,二者呈正比关加而急聚加紧,二者呈正比关系,即一级反应。随底物浓度系,即一级反应。随底物浓度升高,反应速不呈正百分比加升高,反应速
13、不呈正百分比加紧,反应速度增加幅度不停下紧,反应速度增加幅度不停下降。假如继续加大底物浓度,降。假如继续加大底物浓度,反应速度不再增加,表现为反应速度不再增加,表现为0 0级级反应。此时,不论底物浓度增反应。此时,不论底物浓度增加多大,反应速度也不再增加,加多大,反应速度也不再增加,说明酶被底物所饱和。说明酶被底物所饱和。11第11页3.pH3.pH值对反应速度影响值对反应速度影响 酶反应介质酶反应介质pHpH值可影响酶分子解离程度和催化值可影响酶分子解离程度和催化基团中质子供体或质子受体所需离子化状态,也可基团中质子供体或质子受体所需离子化状态,也可影响底物和辅酶解离程度,从而影响酶与底物结
14、合。影响底物和辅酶解离程度,从而影响酶与底物结合。12第12页下表下表 一些酶最适一些酶最适pHpH值值 溶液溶液pHpH值高于和低于最适值高于和低于最适pHpH值时都会使酶活性降低,值时都会使酶活性降低,远离最适远离最适pHpH值时甚至造成酶变性失活。值时甚至造成酶变性失活。温度对唾液淀粉酶温度对唾液淀粉酶活性影响活性影响酶酶胃胃蛋蛋白白酶酶胰蛋胰蛋白酶白酶过过氧氧化化氢氢酶酶精精氨氨酸酸酶酶延延胡胡索索酸酸酶酶核核糖糖核核酸酸酶酶最最适适pH值值1.87.77.69.87.87.813第13页4.4.温度对反应速度影响温度对反应速度影响 化学反应速度随温度增化学反应速度随温度增高而加紧。但
15、酶是蛋白质,高而加紧。但酶是蛋白质,可随温度升高而变性。左图可随温度升高而变性。左图所表示为温度对唾液淀粉酶所表示为温度对唾液淀粉酶活性影响活性影响14第14页5.5.抑制剂对反应速度影响抑制剂对反应速度影响 凡能使酶活性下降而不引发酶蛋白变性物质称作酶凡能使酶活性下降而不引发酶蛋白变性物质称作酶抑制剂。使酶变性失活(称为酶钝化)原因如强酸、强抑制剂。使酶变性失活(称为酶钝化)原因如强酸、强碱等,不属于抑制剂。通常抑制作用分为可逆性抑制和碱等,不属于抑制剂。通常抑制作用分为可逆性抑制和不可逆性抑制两类。不可逆性抑制两类。6.6.激活剂对酶促反应速度影响激活剂对酶促反应速度影响 能使酶活性提升物
16、质,都称为激活剂,其中大部分能使酶活性提升物质,都称为激活剂,其中大部分是离子或简单有机化合物。是离子或简单有机化合物。15第15页9.2.2 9.2.2 微生物反应微生物反应 利用微生物进行生物化学反应过程称为微生物反应过程,利用微生物进行生物化学反应过程称为微生物反应过程,即将微生物作为生物催化剂进行反应为微生物反应。即将微生物作为生物催化剂进行反应为微生物反应。1.1.微生物反应和酶反应共同特点微生物反应和酶反应共同特点(1 1)二者都是生物化学反应,反应所需要环境相同;)二者都是生物化学反应,反应所需要环境相同;(2 2)微生物细胞中包含各种酶,催化全部酶能够催化反应;)微生物细胞中包
17、含各种酶,催化全部酶能够催化反应;(3 3)二者催化速度近似。)二者催化速度近似。16第16页2.2.微生物反应特殊性微生物反应特殊性(1 1)酶反应需要温和环境,微生物细胞膜系统为酶反应提)酶反应需要温和环境,微生物细胞膜系统为酶反应提供了天然供了天然“理想环境理想环境”,细胞能够在较长时间保持一定催,细胞能够在较长时间保持一定催化活性;化活性;(2 2)同一个微生物细胞本身包含数以千计种酶,显然比单)同一个微生物细胞本身包含数以千计种酶,显然比单一酶更适合多底物反应;一酶更适合多底物反应;(3 3)酶反应需要辅助因子和能量能够由微生物细胞提供;)酶反应需要辅助因子和能量能够由微生物细胞提供
18、;(4 4)酶提纯等成本高,有些酶至今未能完全提纯,相比之)酶提纯等成本高,有些酶至今未能完全提纯,相比之下,微生物细胞起源方便,价格低廉。下,微生物细胞起源方便,价格低廉。17第17页3.3.传感器以微生物为敏感元件不足之处传感器以微生物为敏感元件不足之处 微生物传感器作为生物传感器主要组成部分,作为分微生物传感器作为生物传感器主要组成部分,作为分子识别元件即敏感元件生物传感器亦存在着本身不足之处:子识别元件即敏感元件生物传感器亦存在着本身不足之处:(1 1)因为反应过程中往往存在着微生物生长和死亡,故分)因为反应过程中往往存在着微生物生长和死亡,故分析反应标准不易建立。析反应标准不易建立。
19、(2 2)微生物细胞本身是一个庞大酶系统,包含本身代谢在)微生物细胞本身是一个庞大酶系统,包含本身代谢在内许多反应并存,难以去除无须要反应。内许多反应并存,难以去除无须要反应。(3 3)微生物细胞受环境改变影响易引发本身生理状态复杂)微生物细胞受环境改变影响易引发本身生理状态复杂化,从而造成不期望反应。化,从而造成不期望反应。18第18页4.4.微生物反应分类方式微生物反应分类方式 微生物反应主要有下面三种分类方式微生物反应主要有下面三种分类方式(1 1)按照生物代谢流向,微生物反应能够分为同化作用)按照生物代谢流向,微生物反应能够分为同化作用和异化作用。和异化作用。(2 2)按照微生物对营养
20、要求,微生物反应能够分为自养)按照微生物对营养要求,微生物反应能够分为自养性和异养性。性和异养性。(3 3)按照微生物反应对氧需求是否,微生物反应能够分)按照微生物反应对氧需求是否,微生物反应能够分为好氧反应和厌氧反应。为好氧反应和厌氧反应。19第19页 免疫指机体对病原生物感染抵抗能力。可区分为自然免免疫指机体对病原生物感染抵抗能力。可区分为自然免疫和取得性免疫。自然免疫是非特异型,取得性免疫普通是疫和取得性免疫。自然免疫是非特异型,取得性免疫普通是特异性,在微生物等抗原物质刺激后才形成,并能与该抗原特异性,在微生物等抗原物质刺激后才形成,并能与该抗原产生特异性反应。上述各种免疫过程中,抗原
21、与抗体反应是产生特异性反应。上述各种免疫过程中,抗原与抗体反应是最基本反应。最基本反应。9.2.3 免疫反应免疫反应20第20页1.1.抗原抗原(1 1)抗原定义抗原定义 抗原是能够刺激动物体产生免疫反应物质。抗原有两种抗原是能够刺激动物体产生免疫反应物质。抗原有两种性能:刺激机体产生免疫应答反应和与对应免疫反应产物发性能:刺激机体产生免疫应答反应和与对应免疫反应产物发生异性结合反应。前一个性能称为免疫原性,后一个性能称生异性结合反应。前一个性能称为免疫原性,后一个性能称为反应原性。含有免疫原性抗原完全抗原,那些只有反应原为反应原性。含有免疫原性抗原完全抗原,那些只有反应原性,不刺激免疫应答反
22、应称为半抗原。性,不刺激免疫应答反应称为半抗原。(2 2)抗原分类抗原分类 通常,依据起源不一样,抗原又能够分为以下几个:通常,依据起源不一样,抗原又能够分为以下几个:天然抗原天然抗原 人工抗原人工抗原 合成抗原。合成抗原是化学合成多肽分子。合成抗原。合成抗原是化学合成多肽分子。21第21页(3 3)抗原理化性状抗原理化性状抗原有两种性状:抗原有两种性状:物理性状。完全抗原分子量较大,通常相对分子质量物理性状。完全抗原分子量较大,通常相对分子质量在在1 1万以上。分子量越大,其表面积对应扩大,接触免万以上。分子量越大,其表面积对应扩大,接触免疫系统细胞机会增多,因而免疫原性也就增强。疫系统细胞
23、机会增多,因而免疫原性也就增强。化学组成。自然界中绝大多数抗原都是蛋白质,即可化学组成。自然界中绝大多数抗原都是蛋白质,即可是纯蛋白,也可是结合蛋白。是纯蛋白,也可是结合蛋白。22第22页免疫传感器种类免疫传感器种类(4 4)抗原决定簇抗原决定簇 抗原决定簇是抗原分抗原决定簇是抗原分子表面特殊化学基团,抗子表面特殊化学基团,抗原特异性取决于抗原决定原特异性取决于抗原决定簇性质、数目和空间排列。簇性质、数目和空间排列。不一样种系动物血清白蛋不一样种系动物血清白蛋白因其末端氨基酸排列不白因其末端氨基酸排列不一样,而表现出各自种属一样,而表现出各自种属性特异。一个抗原常含有性特异。一个抗原常含有一个
24、以上抗原决定簇,如一个以上抗原决定簇,如牛血清蛋白有牛血清蛋白有1414个,甲状个,甲状腺球蛋白有腺球蛋白有4040个。个。种 属 末端(N端COOH末端(C端)人天冬酰胺、丙氨酸甘氨酸、缬氨酸、丙氨酸、亮氨酸马天冬酰胺、苏氨酸缬氨酸、丝氨酸、亮氨酸、丙氨酸兔天冬酰胺亮氨酸、丙氨酸23第23页2.2.抗体抗体(1 1)抗体定义)抗体定义 抗体是由抗原刺激机体产生特征免疫功效球蛋白,抗体是由抗原刺激机体产生特征免疫功效球蛋白,又称免疫球蛋白。又称免疫球蛋白。(2 2)抗体结构)抗体结构 免疫球蛋白都是由一至几个单体组成,每个单体有免疫球蛋白都是由一至几个单体组成,每个单体有两条相同分子量较大重链
25、和两条相同分子量较小轻链组成,链与链之两条相同分子量较大重链和两条相同分子量较小轻链组成,链与链之间经过二硫链及非共价键链连接。间经过二硫链及非共价键链连接。免疫球蛋白(免疫球蛋白(IgIg)结构模式图)结构模式图24第24页(3 3)抗体特征)抗体特征 抗体早已用在免疫检测中,其与对应抗抗体早已用在免疫检测中,其与对应抗原之间键连接甚至比酶与其基质之间连接愈加有力,尤原之间键连接甚至比酶与其基质之间连接愈加有力,尤其是对对应抗原连接更是如此。其是对对应抗原连接更是如此。3.3.抗原抗原-抗体反应抗体反应抗原抗原-抗体结合时将发生凝聚、沉淀、溶解反应和促进抗体结合时将发生凝聚、沉淀、溶解反应和
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